Con el rápido desarrollo de tecnologías como el Internet de las Cosas y la inteligencia artificial, los sensores de gas, un importante dispositivo de detección conocido como los "cinco sentidos eléctricos", están abriendo oportunidades de desarrollo sin precedentes. Desde el monitoreo inicial de gases tóxicos y nocivos industriales hasta su amplia aplicación en el diagnóstico médico, hogares inteligentes, monitoreo ambiental y otros campos actuales, la tecnología de sensores de gas está experimentando una profunda transformación, pasando de una función única a la inteligencia, la miniaturización y la multidimensionalidad. Este artículo analizará exhaustivamente las características técnicas, los últimos avances en investigación y el estado de aplicación global de los sensores de gas, con especial atención a las tendencias de desarrollo en el campo del monitoreo de gases en países como China y Estados Unidos.
Características técnicas y tendencias de desarrollo de los sensores de gas
Como convertidor que convierte la fracción de volumen de un gas específico en la señal eléctrica correspondiente, el sensor de gas se ha convertido en un componente indispensable e importante de la tecnología de detección moderna. Este tipo de equipo procesa muestras de gas mediante cabezales de detección, lo que generalmente incluye pasos como la filtración de impurezas y gases interferentes, el secado o el tratamiento de refrigeración, y finalmente la conversión de la información de concentración de gas en señales eléctricas medibles. Actualmente, existen diversos tipos de sensores de gas en el mercado, incluyendo sensores semiconductores, electroquímicos, de combustión catalítica, infrarrojos y de fotoionización (PID), entre otros. Cada uno de ellos tiene sus propias características y se utiliza ampliamente en los campos de pruebas civiles, industriales y ambientales.
La estabilidad y la sensibilidad son los dos indicadores principales para evaluar el rendimiento de los sensores de gas. La estabilidad se refiere a la persistencia de la respuesta básica de un sensor durante todo su tiempo de trabajo, que depende de la deriva del cero y la deriva del intervalo. Idealmente, para sensores de alta calidad en condiciones de trabajo continuo, la deriva del cero anual debería ser inferior al 10%. La sensibilidad se refiere a la relación entre el cambio en la salida del sensor y el cambio en la entrada medida. La sensibilidad de los diferentes tipos de sensores varía significativamente, principalmente en función de los principios técnicos y la selección de materiales que adoptan. Además, la selectividad (es decir, la sensibilidad cruzada) y la resistencia a la corrosión también son parámetros importantes para evaluar el rendimiento de los sensores de gas. La primera determina la capacidad de reconocimiento del sensor en un entorno de gases mixtos, mientras que la segunda está relacionada con la tolerancia del sensor en gases objetivo de alta concentración.
El desarrollo actual de la tecnología de sensores de gas presenta varias tendencias evidentes. En primer lugar, la investigación y el desarrollo de nuevos materiales y procesos ha continuado profundizándose. Los materiales semiconductores de óxido metálico tradicionales, como ZnO, SiO₂, Fe₂O₃, etc., han alcanzado su madurez. Los investigadores están dopando, modificando y modificando la superficie de los materiales existentes sensibles a los gases mediante métodos de modificación química, a la vez que mejoran el proceso de formación de películas para aumentar la estabilidad y la selectividad de los sensores. Al mismo tiempo, también se está impulsando activamente el desarrollo de nuevos materiales, como los semiconductores compuestos e híbridos sensibles a los gases y los polímeros sensibles a los gases. Estos materiales presentan una mayor sensibilidad, selectividad y estabilidad a diferentes gases.
La inteligencia de los sensores es otra importante dirección de desarrollo. Con la exitosa aplicación de nuevas tecnologías de materiales, como la nanotecnología y la tecnología de película delgada, los sensores de gas se están volviendo más integrados e inteligentes. Al aprovechar al máximo tecnologías integradas multidisciplinarias como la tecnología micromecánica y microelectrónica, la tecnología informática, la tecnología de procesamiento de señales, la tecnología de sensores y la tecnología de diagnóstico de fallas, los investigadores están desarrollando sensores de gas inteligentes, digitales y totalmente automáticos, capaces de monitorear simultáneamente múltiples gases. Un sensor multivariable de tipo resistencia química-potencial, desarrollado recientemente por el grupo de investigación del Profesor Asociado Yi Jianxin, del Laboratorio Estatal Clave de Ciencias del Fuego de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, es un claro ejemplo de esta tendencia. Este sensor realiza la detección tridimensional y la identificación precisa de múltiples gases y características del fuego con un solo dispositivo 59.
La arrayización y la optimización de algoritmos también están recibiendo cada vez más atención. Debido al problema de respuesta de amplio espectro de un solo sensor de gas, es propenso a interferencias cuando existen múltiples gases simultáneamente. El uso de múltiples sensores de gas para formar una matriz se ha convertido en una solución efectiva para mejorar la capacidad de reconocimiento. Al aumentar las dimensiones del gas detectado, la matriz de sensores puede obtener más señales, lo que conduce a la evaluación de más parámetros y mejora la capacidad de juicio y reconocimiento. Sin embargo, a medida que aumenta el número de sensores en la matriz, también aumenta la complejidad del procesamiento de datos. Por lo tanto, la optimización de la matriz de sensores es particularmente importante. En la optimización de matrices, métodos como el coeficiente de correlación y el análisis de clústeres se adoptan ampliamente, mientras que los algoritmos de reconocimiento de gases como el Análisis de Componentes Principales (PCA) y la Red Neuronal Artificial (RNA) han mejorado enormemente la capacidad de reconocimiento de patrones de los sensores.
Tabla: Comparación del rendimiento de los principales tipos de sensores de gas
Tipo de sensor, principio de funcionamiento, ventajas y desventajas, vida útil típica.
La adsorción de gas de tipo semiconductor tiene un bajo costo en el cambio de la resistencia de los semiconductores, una respuesta rápida, una selectividad pobre y se ve muy afectada por la temperatura y la humedad durante 2-3 años.
El gas electroquímico experimenta reacciones REDOX para generar corriente, lo que presenta buena selectividad y alta sensibilidad. Sin embargo, el electrolito presenta un desgaste limitado y una vida útil de 1 a 2 años (para electrolito líquido).
La combustión catalítica de gases combustibles provoca cambios de temperatura. Está diseñada específicamente para la detección de gases combustibles y solo es aplicable a gases combustibles durante aproximadamente tres años.
Los gases infrarrojos tienen una alta precisión en la absorción de luz infrarroja de longitudes de onda específicas, no causan intoxicación, pero tienen un alto coste y un volumen relativamente grande durante 5 a 10 años.
Fotoionización (PID) La fotoionización ultravioleta para la detección de moléculas de gas de COV tiene una alta sensibilidad y no puede distinguir los tipos de compuestos durante 3 a 5 años.
Cabe destacar que, si bien la tecnología de sensores de gas ha avanzado considerablemente, aún enfrenta algunos desafíos comunes. La vida útil de los sensores restringe su aplicación en ciertos campos. Por ejemplo, la vida útil de los sensores semiconductores es de aproximadamente 2 a 3 años, la de los sensores de gas electroquímicos es de aproximadamente 1 a 2 años debido a la pérdida de electrolito, mientras que la de los sensores electroquímicos de electrolito de estado sólido puede alcanzar los 5 años. Además, los problemas de deriva (cambios en la respuesta del sensor a lo largo del tiempo) y los problemas de consistencia (diferencias de rendimiento entre sensores del mismo lote) también son factores importantes que restringen la amplia aplicación de los sensores de gas. En respuesta a estos problemas, los investigadores, por un lado, se comprometen a mejorar los materiales y procesos de fabricación sensibles al gas, y por otro lado, están compensando o suprimiendo la influencia de la deriva del sensor en los resultados de las mediciones mediante el desarrollo de algoritmos avanzados de procesamiento de datos.
Los escenarios de aplicación diversificados de los sensores de gas
La tecnología de sensores de gas ha permeado todos los aspectos de la vida social. Sus aplicaciones han trascendido el ámbito tradicional de la monitorización de la seguridad industrial y se están expandiendo rápidamente a múltiples campos, como la salud médica, la monitorización ambiental, los hogares inteligentes y la seguridad alimentaria. Esta tendencia de aplicaciones diversificadas no solo refleja las posibilidades que ofrece el progreso tecnológico, sino que también refleja la creciente demanda social de detección de gases.
Seguridad industrial y monitoreo de gases peligrosos
En el ámbito de la seguridad industrial, los sensores de gas desempeñan un papel fundamental, especialmente en industrias de alto riesgo como la ingeniería química, la petrolera y la minera. El XIV Plan Quinquenal para la Producción Segura de Productos Químicos Peligrosos de China exige claramente que los parques industriales químicos establezcan un sistema integral de monitoreo y alerta temprana para gases tóxicos y nocivos, y promuevan la construcción de plataformas inteligentes de control de riesgos. El Plan de Acción de Seguridad Laboral "Internet Industrial Plus" también incentiva a los parques a implementar sensores de Internet de las Cosas y plataformas de análisis de IA para lograr un monitoreo en tiempo real y una respuesta coordinada ante riesgos como las fugas de gas. Estas orientaciones políticas han impulsado considerablemente la aplicación de sensores de gas en el ámbito de la seguridad industrial.
Los sistemas modernos de monitoreo de gases industriales han desarrollado diversas rutas técnicas. La tecnología de imágenes de nubes de gas visualiza las fugas de gas mediante la representación visual de las masas de gas como cambios en los niveles de gris de los píxeles de la imagen. Su capacidad de detección depende de factores como la concentración y el volumen del gas fugado, la diferencia de temperatura de fondo y la distancia de monitoreo. La tecnología de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier permite monitorear cualitativa y semicuantitativamente más de 500 tipos de gases, incluyendo inorgánicos, orgánicos, tóxicos y nocivos, y puede analizar simultáneamente 30 tipos de gases. Resulta idónea para los complejos requisitos de monitoreo de gases en parques industriales químicos. Estas tecnologías avanzadas, al combinarse con sensores de gas tradicionales, conforman una red multinivel de monitoreo de seguridad de gases industriales.
A nivel de implementación específica, los sistemas de monitoreo de gases industriales deben cumplir con una serie de estándares nacionales e internacionales. El “Estándar de Diseño para la Detección y Alarma de Gases Inflamables y Tóxicos en la Industria Petroquímica” GB 50493-2019 y la “Especificación Técnica General para el Monitoreo de Seguridad de las Principales Fuentes de Riesgo de Productos Químicos Peligrosos” AQ 3035-2010 de China proporcionan especificaciones técnicas para el monitoreo de gases industriales 26. A nivel internacional, la OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos) ha desarrollado una serie de estándares de detección de gases, que exigen la detección de gases antes de las operaciones en espacios confinados y garantizan que la concentración de gases nocivos en el aire esté por debajo del nivel seguro de 610. Los estándares de la NFPA (Asociación Nacional de Protección contra Incendios de los Estados Unidos), como NFPA 72 y NFPA 54, establecen requisitos específicos para la detección de gases inflamables y tóxicos 610.
Diagnóstico médico de salud y enfermedades
El campo de la medicina y la salud se está convirtiendo en uno de los mercados de aplicación más prometedores para los sensores de gas. El aire exhalado del cuerpo humano contiene una gran cantidad de biomarcadores relacionados con afecciones de salud. La detección de estos biomarcadores permite la detección temprana y el monitoreo continuo de enfermedades. El dispositivo portátil para la detección de acetona en el aliento, desarrollado por el equipo del Dr. Wang Di, del Centro de Investigación de Superpercepción del Laboratorio de Zhejiang, es un ejemplo típico de esta aplicación. Este dispositivo utiliza tecnología colorimétrica para medir el contenido de acetona en el aliento exhalado humano mediante la detección del cambio de color de materiales sensibles al gas, logrando así una detección rápida e indolora de la diabetes tipo 1.
Cuando el nivel de insulina en el cuerpo humano es bajo, este no puede convertir la glucosa en energía y, en su lugar, descompone la grasa. La acetona, uno de los subproductos de la descomposición de la grasa, se excreta del cuerpo a través de la respiración. El Dr. Wang Di explicó 1. En comparación con los análisis de sangre tradicionales, este método de prueba de aliento ofrece una mejor experiencia diagnóstica y terapéutica. Además, el equipo está desarrollando un sensor de acetona en parche de liberación diaria. Este dispositivo portátil de bajo costo puede medir automáticamente el gas de acetona emitido por la piel las 24 horas del día. En el futuro, al combinarse con tecnología de inteligencia artificial, puede ayudar en el diagnóstico, el monitoreo y la guía de medicación para la diabetes.
Además de la diabetes, los sensores de gas también muestran un gran potencial en el manejo de enfermedades crónicas y la monitorización de enfermedades respiratorias. La curva de concentración de dióxido de carbono es una base importante para evaluar el estado de la ventilación pulmonar de los pacientes, mientras que las curvas de concentración de ciertos marcadores de gas reflejan la tendencia de desarrollo de enfermedades crónicas. Tradicionalmente, la interpretación de estos datos requería la participación del personal médico. Sin embargo, con el avance de la inteligencia artificial, los sensores de gas inteligentes no solo pueden detectar gases y dibujar curvas, sino también determinar el grado de desarrollo de la enfermedad, reduciendo considerablemente la presión sobre el personal médico.
En el campo de los dispositivos wearables de salud, la aplicación de sensores de gas aún se encuentra en una etapa temprana, pero las perspectivas son amplias. Investigadores de Zhuhai Gree Electric Appliances señalaron que, si bien los electrodomésticos difieren de los dispositivos médicos con funciones de diagnóstico de enfermedades, en el ámbito de la monitorización diaria de la salud en el hogar, los conjuntos de sensores de gas presentan ventajas como su bajo coste, su no invasividad y su miniaturización, lo que hace previsible su creciente presencia en electrodomésticos como aparatos de higiene bucal e inodoros inteligentes, como soluciones auxiliares de monitorización y monitoreo en tiempo real. Ante la creciente demanda de salud en el hogar, la monitorización del estado de salud humana mediante electrodomésticos se convertirá en una dirección importante para el desarrollo de los hogares inteligentes.
Vigilancia ambiental y prevención y control de la contaminación
El monitoreo ambiental es uno de los campos donde los sensores de gas se aplican con mayor frecuencia. A medida que aumenta el énfasis global en la protección del medio ambiente, la demanda de monitoreo de diversos contaminantes atmosféricos también crece día a día. Los sensores de gas pueden detectar gases nocivos como el monóxido de carbono, el dióxido de azufre y el ozono, lo que proporciona una herramienta eficaz para monitorear la calidad del aire ambiental.
El sensor electroquímico de gas UGT-E4 de British Gas Shield Company es un producto representativo en el campo de la monitorización ambiental. Permite medir con precisión el contenido de contaminantes en la atmósfera y proporcionar datos precisos y oportunos a los departamentos de protección ambiental. Este sensor, gracias a su integración con tecnologías de la información modernas, incorpora funciones como monitorización remota, carga de datos y alarma inteligente, lo que mejora significativamente la eficiencia y la comodidad de la detección de gases. Los usuarios pueden monitorizar los cambios en la concentración de gases en cualquier momento y lugar, simplemente a través de sus teléfonos móviles u ordenadores, lo que proporciona una base científica para la gestión y la formulación de políticas ambientales.
En cuanto a la monitorización de la calidad del aire interior, los sensores de gas también desempeñan un papel importante. La norma EN 45544, emitida por el Comité Europeo de Normalización (EN), está específicamente diseñada para las pruebas de calidad del aire interior y abarca los requisitos de prueba para diversos gases nocivos 610. Los sensores de dióxido de carbono, formaldehído, etc., comunes en el mercado, se utilizan ampliamente en viviendas, edificios comerciales y lugares de ocio, ayudando a crear un ambiente interior más saludable y confortable. Especialmente durante la pandemia de COVID-19, la ventilación interior y la calidad del aire han recibido una atención sin precedentes, lo que ha impulsado aún más el desarrollo y la aplicación de tecnologías de sensores relacionadas.
El monitoreo de emisiones de carbono es una nueva área de aplicación para los sensores de gas. En el contexto de la neutralidad global en carbono, el monitoreo preciso de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono, ha cobrado especial importancia. Los sensores infrarrojos de dióxido de carbono ofrecen ventajas únicas en este campo gracias a su alta precisión, buena selectividad y larga vida útil. Las "Directrices para la Construcción de Plataformas Inteligentes de Control de Riesgos de Seguridad en Parques Industriales Químicos" de China han incluido el monitoreo de gases combustibles/tóxicos y el análisis de rastreo de fuentes de fugas como componentes obligatorios de la construcción, lo que refleja el énfasis de las políticas en el rol del monitoreo de gases en el ámbito de la protección ambiental.
Hogar inteligente y seguridad alimentaria
El hogar inteligente es el mercado de aplicaciones de consumo más prometedor para los sensores de gas. Actualmente, estos sensores se utilizan principalmente en electrodomésticos como purificadores y aires acondicionados. Sin embargo, con la introducción de conjuntos de sensores y algoritmos inteligentes, su potencial en ámbitos como la conservación de alimentos, la cocina y la monitorización de la salud se está aprovechando gradualmente.
En cuanto a la conservación de alimentos, los sensores de gas pueden monitorizar los olores desagradables que desprenden los alimentos durante su almacenamiento para determinar su frescura. Investigaciones recientes demuestran que, tanto si se utiliza un solo sensor para monitorizar la concentración de olores como si se utiliza un conjunto de sensores de gas combinado con métodos de reconocimiento de patrones para determinar la frescura de los alimentos, se han obtenido buenos resultados. Sin embargo, debido a la complejidad de las condiciones reales de uso de los refrigeradores (como la interferencia de los usuarios al abrir y cerrar puertas, el arranque y la parada de compresores, la circulación interna del aire, etc.), así como a la influencia mutua de los diversos gases volátiles presentes en los ingredientes de los alimentos, aún se puede mejorar la precisión de la determinación de la frescura de los alimentos.
Las aplicaciones culinarias son otro escenario importante para los sensores de gas. Durante el proceso de cocción se producen cientos de compuestos gaseosos, incluyendo partículas, alcanos, compuestos aromáticos, aldehídos, cetonas, alcoholes, alquenos y otros compuestos orgánicos volátiles. En un entorno tan complejo, los conjuntos de sensores de gas presentan ventajas más evidentes que los sensores individuales. Los estudios demuestran que los conjuntos de sensores de gas pueden utilizarse para determinar el estado de cocción de los alimentos según el gusto personal o como herramienta auxiliar de monitorización dietética para informar periódicamente a los usuarios sobre sus hábitos culinarios. Sin embargo, factores del entorno de cocción, como las altas temperaturas, los humos de cocción y el vapor de agua, pueden provocar fácilmente la intoxicación del sensor, lo cual constituye un problema técnico que requiere solución.
En el campo de la seguridad alimentaria, la investigación del equipo de Wang Di ha demostrado el potencial de los sensores de gas. Su objetivo es identificar docenas de gases simultáneamente con un pequeño enchufe en un teléfono móvil y se comprometen a facilitar el acceso a la información sobre seguridad alimentaria. Este dispositivo olfativo de matriz altamente integrado puede detectar componentes volátiles en los alimentos, determinar su frescura e inocuidad, y proporcionar información en tiempo real a los consumidores.
Tabla: Principales objetos de detección y características técnicas de los sensores de gas en diversos campos de aplicación
Campos de aplicación, principales objetos de detección, tipos de sensores comúnmente utilizados, desafíos técnicos, tendencias de desarrollo
Seguridad industrial: gas combustible, gas tóxico, tipo de combustión catalítica, tipo electroquímico, tolerancia a entornos hostiles, monitoreo sincrónico de múltiples gases, rastreo de fuentes de fugas.
Acetona médica y sanitaria, CO₂, COV tipo semiconductor, selectividad y sensibilidad tipo colorimétrico, diagnóstico portátil e inteligente.
Despliegue de una red de estabilidad a largo plazo y transmisión de datos en tiempo real para el monitoreo ambiental de contaminantes del aire y gases de efecto invernadero en formas infrarrojas y electroquímicas
Sensor de gases volátiles para alimentos de casa inteligente, sensor de humo de cocina, tipo semiconductor, capacidad antiinterferencias PID.
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Hora de publicación: 11 de junio de 2025